El desarrollo de proyectos con una mejor relación coste-beneficio es una prioridad constante en las reuniones de ingeniería de las empresas de fabricación y reacondicionamiento de transformadores. El objetivo es mantener un margen de seguridad adecuado y alcanzar objetivos como la reducción del consumo de materias primas, la reducción de distancias, la reducción del peso y la reducción de las dimensiones externas, entre otros.
Pero la gran pregunta es: ¿cómo lograr este objetivo sin comprometer el margen de seguridad operacional de los transformadores?
Este desafío se puede superar mediante el uso de herramientas de análisis de diseño adecuadas, como el software de simulación numérica basado en el método de elementos finitos.
Optimizar los diseños para aumentar la competitividad es una preocupación constante para los fabricantes de transformadores.
Este artículo fue escrito para demostrar la aplicabilidad de esta herramienta de simulación para determinar la distancia de aislamiento interno adecuada entre el componente activo, los cables de conexión y el tanque del transformador.
Durante la fase de diseño del transformador, cualquier reducción milimétrica en la distancia entre la parte activa y el tanque del equipo puede representar una reducción significativa en la cantidad de materias primas (aceite aislante, acero estructural, materiales de sellado y fijación). Además, es importante destacar que la optimización del diseño y la consiguiente reducción del peso final del equipo también son muy importantes, especialmente cuando se trata de equipos de gran tamaño (logística de transporte muy compleja) o equipos ubicados en plataformas con limitaciones de peso reguladas (como en el caso de transformadores diseñados para operar en subestaciones móviles).
En general, en los transformadores de potencia, la distancia interna entre los elementos alimentados (bobinados y cables de conexión) y la cuba se define según la clase de tensión del equipo. Para el dimensionamiento dieléctrico de estos puntos, los fabricantes de transformadores suelen utilizar datos empíricos y tablas con distancias mínimas de aislamiento basadas en su experiencia.
Sin embargo, estos datos empíricos se vuelven obsoletos a medida que la tensión del equipo alcanza niveles más altos. Por lo tanto, simplemente usar una mayor distancia entre los puntos de potencial no es suficiente para garantizar un margen de seguridad adecuado. Esto se debe al comportamiento no lineal de la capacidad de resistencia dieléctrica del fluido aislante del transformador en relación con la distancia de aislamiento utilizada.
Aquí es donde entran en juego las herramientas de simulación numérica basadas en elementos finitos. Con estas herramientas, es posible mapear el campo eléctrico en esta región del transformador y definir, con base en una metodología de análisis como el método de tensión acumulada, el campo eléctrico máximo admisible y el margen de seguridad correspondiente. Con esta metodología, es posible modificar las distancias y las configuraciones de aislamiento hasta obtener una separación adecuada entre la parte activa, los cables de conexión y la cuba del transformador. Esta misma metodología para analizar y calcular el margen de seguridad también puede utilizarse internamente en los devanados del transformador.
Una aproximación mucho más completa a esta metodología, incluyendo referencias sobre el tema, la presenta Odirlan Iaronka en su tesis de máster, disponible íntegramente en este enlace.
Un comentario adicional sobre este tema es que este enfoque probablemente explique por qué algunos transformadores antiguos que regresan a fábrica para su evaluación o reacondicionamiento presentan grandes distancias entre los cables de conexión y el tanque. Esta característica puede deberse, entre otras razones relacionadas con la calidad de los materiales y los procesos de fabricación, al sobredimensionamiento de las distancias de aislamiento, definidas antes de la llegada de las herramientas de diseño actuales. De hecho, suele ser posible aumentar la potencia original del transformador en los procesos de reacondicionamiento sin modificar el tamaño del tanque, simplemente aplicando conceptos técnicos y herramientas de diseño actuales, alineados con la evolución de los materiales y los procesos de fabricación.
DATO CURIOSO: Algunos equipos con clases de voltaje superiores a 230 kV tienen tanto espacio entre la parte activa y el tanque que una persona relativamente pequeña puede caminar dentro sin mucha dificultad (esta característica ciertamente hizo que las inspecciones internas fueran más fáciles, ¿no es así? jajaja).